学懂C++（四十一）：网络编程——深入详解 C++ 网络编程之 WebSocket 应用技术

一、引言

二、WebSocket 概念

1. WebSocket 概述

2. WebSocket 协议

WebSocket 握手请求示例

三、WebSocket 工作原理

四、WebSocket 的实现方式

1. 准备工作

2. WebSocket 服务器实现

服务器代码

3. WebSocket 客户端实现

客户端代码

五、总结

一、引言

在现代互联网应用中，即时通信、实时数据传输和交互变得越来越重要。传统的 HTTP 协议由于其无状态和请求/响应模型的限制，难以满足这类需求。WebSocket 协议应运而生，提供了持久的双向通信通道。本文将深入解析 WebSocket 的概念、工作原理及其在 C++ 中的实现，并结合经典实例进行讲解。

二、WebSocket 概念

1. WebSocket 概述

WebSocket 是一种全双工的通信协议，设计用于在 Web 浏览器和服务器之间进行实时、低延迟的双向通信。相较于传统的 HTTP 协议，WebSocket 协议具有以下几个显著特点：

持久连接：一旦连接建立，客户端和服务器之间可以持续通信，避免了频繁的连接建立和关闭过程。
低开销：减少了 HTTP 请求/响应头部的开销，适合高频率数据交换。
双向通信：允许客户端和服务器随时发送数据，支持实时应用场景。

2. WebSocket 协议

WebSocket 协议通过 HTTP/1.1 协议进行初始握手，然后升级到 WebSocket 协议。握手成功后，通信双方可以通过 TCP 连接进行双向数据传输。

WebSocket 握手请求示例

GET /chat HTTP/1.1
Host: server.example.com
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Key: dGhlIHNhbXBsZSBub25jZQ==
Sec-WebSocket-Version: 13

WebSocket 握手响应示例

HTTP/1.1 101 Switching Protocols
Upgrade: websocket
Connection: Upgrade
Sec-WebSocket-Accept: s3pPLMBiTxaQ9kYGzzhZRbK+xOo=

三、WebSocket 工作原理

WebSocket 的工作流程主要包括以下几个步骤：

建立连接：客户端发起 HTTP 请求，包含特定的头部字段，用于请求将连接升级为 WebSocket 协议。
协议升级：服务器接收到请求后，返回相应的头部字段，确认升级为 WebSocket 协议。
数据传输：建立 WebSocket 连接后，客户端和服务器可以通过该连接进行双向数据传输，数据帧以二进制或文本格式传输。
关闭连接：任意一方可以随时关闭连接。

四、WebSocket 的实现方式

WebSocket 的实现方式可以分为客户端和服务器两部分。在 C++ 中，可以使用开源的 WebSocket 库（如 libwebsockets、Boost.Beast）进行实现。本文将使用 Boost.Asio 和 Boost.Beast 库来实现 WebSocket 客户端和服务器。

1. 准备工作

在开始编写代码之前，请确保已经安装了 Boost 库。可以从 Boost 官方网站下载并安装。

在 Linux 上

在基于 Debian 的系统（如 Ubuntu）上，可以使用以下命令安装 Boost 库：

sudo apt-get update sudo apt-get install libboost-all-dev

在 Windows 上

在 Windows 上，可以使用 vcpkg 或从 Boost 官网下载源码并手动编译安装。以下是使用 vcpkg 的示例：

下载并安装 vcpkg。
使用 vcpkg 安装 Boost 库：

vcpkg install boost-asio boost-beast

2. WebSocket 服务器实现

服务器代码

#include <boost/beast/core.hpp>
#include <boost/beast/websocket.hpp>
#include <boost/asio/ip/tcp.hpp>
#include <cstdlib>
#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>
#include <thread>namespace beast = boost::beast;         // from <boost/beast.hpp>
namespace http = beast::http;           // from <boost/beast/http.hpp>
namespace websocket = beast::websocket; // from <boost/beast/websocket.hpp>
namespace net = boost::asio;            // from <boost/asio.hpp>
using tcp = net::ip::tcp;               // from <boost/asio/ip/tcp.hpp>// 会话类
class session : public std::enable_shared_from_this<session> {websocket::stream<beast::tcp_stream> ws_;beast::flat_buffer buffer_;public:explicit session(tcp::socket socket): ws_(std::move(socket)) {}// 启动异步操作void run() {// 执行 WebSocket 握手ws_.async_accept(beast::bind_front_handler(&session::on_accept, shared_from_this()));}private:// WebSocket 握手的回调函数void on_accept(beast::error_code ec) {if (ec) {std::cerr << "accept: " << ec.message() << std::endl;return;}// 读取消息do_read();}// 读取消息void do_read() {ws_.async_read(buffer_, beast::bind_front_handler(&session::on_read, shared_from_this()));}// 读取消息后的回调函数void on_read(beast::error_code ec, std::size_t bytes_transferred) {if (ec == websocket::error::closed) {return;}if (ec) {std::cerr << "read: " << ec.message() << std::endl;return;}std::cout << "Received: " << beast::make_printable(buffer_.data()) << std::endl;buffer_.consume(buffer_.size()); // 清空缓冲区// 回应消息ws_.text(ws_.got_text());ws_.async_write(boost::asio::buffer("Echo: Hello from server"), beast::bind_front_handler(&session::on_write, shared_from_this()));}// 写消息后的回调函数void on_write(beast::error_code ec, std::size_t bytes_transferred) {if (ec) {std::cerr << "write: " << ec.message() << std::endl;return;}// 继续读取消息do_read();}
};// 监听器类
class listener : public std::enable_shared_from_this<listener> {net::io_context& ioc_;tcp::acceptor acceptor_;public:listener(net::io_context& ioc, tcp::endpoint endpoint) : ioc_(ioc), acceptor_(net::make_strand(ioc)) {beast::error_code ec;// 打开接收器acceptor_.open(endpoint.protocol(), ec);if (ec) {std::cerr << "open: " << ec.message() << std::endl;return;}// 绑定到端点acceptor_.bind(endpoint, ec);if (ec) {std::cerr << "bind: " << ec.message() << std::endl;return;}// 开始监听acceptor_.listen(net::socket_base::max_listen_connections, ec);if (ec) {std::cerr << "listen: " << ec.message() << std::endl;return;}}// 启动异步接受操作void run() {do_accept();}private:// 异步接受操作void do_accept() {acceptor_.async_accept(net::make_strand(ioc_), beast::bind_front_handler(&listener::on_accept, shared_from_this()));}// 接受连接后的回调函数void on_accept(beast::error_code ec, tcp::socket socket) {if (ec) {std::cerr << "accept: " << ec.message() << std::endl;} else {// 创建 WebSocket 会话std::make_shared<session>(std::move(socket))->run();}// 继续接受连接do_accept();}
};int main(int argc, char* argv[]) {try {if (argc != 2) {std::cerr << "Usage: websocket-server <port>\n";return EXIT_FAILURE;}// 解析命令行参数auto const port = static_cast<unsigned short>(std::atoi(argv[1]));// 创建 io_contextnet::io_context ioc{1};// 创建并启动监听器std::make_shared<listener>(ioc, tcp::endpoint{tcp::v4(), port})->run();// 运行 io_contextioc.run();} catch (const std::exception& e) {std::cerr << "Error: " << e.what() << std::endl;return EXIT_FAILURE;}return EXIT_SUCCESS;
}

解析：

session 类：处理 WebSocket 会话，包括握手、读写消息等。
listener 类：负责监听传入的 TCP 连接，并创建新的 WebSocket 会话。
main 函数：解析命令行参数，创建 io_context，启动监听器并运行。

运行方式：编译并运行服务器程序，例如：

在 Linux 上

假设将服务器代码保存为 websocket_server.cpp，使用以下命令进行编译和运行：

# 编译服务器代码
g++ -o websocket-server websocket_server.cpp -lboost_system -lboost_thread -lssl -lcrypto -lboost_beast# 运行服务器
./websocket-server 8080

在 Windows 上

假设将服务器代码保存为 websocket_server.cpp，使用以下命令进行编译和运行（需要安装 MinGW）：

# 编译服务器代码
g++ -o websocket-server websocket_server.cpp -lboost_system -lws2_32 -lssl -lcrypto# 运行服务器
./websocket-server 8080

3. WebSocket 客户端实现

客户端代码

#include <boost/beast/core.hpp>
#include <boost/beast/websocket.hpp>
#include <boost/asio/ip/tcp.hpp>
#include <cstdlib>
#include <iostream>
#include <string>namespace beast = boost::beast;         // from <boost/beast.hpp>
namespace websocket = beast::websocket; // from <boost/beast/websocket.hpp>
namespace net = boost::asio;            // from <boost/asio.hpp>
using tcp = net::ip::tcp;               // from <boost/asio/ip/tcp.hpp>int main(int argc, char* argv[]) {try {if (argc != 3) {std::cerr << "Usage: websocket-client <host> <port>\n";return EXIT_FAILURE;}auto const host = argv[1];auto const port = argv[2];// 创建 io_contextnet::io_context ioc;// 解析地址tcp::resolver resolver(ioc);auto const results = resolver.resolve(host, port);// 创建 WebSocket 流websocket::stream<tcp::socket> ws{ioc};// 连接到服务器net::connect(ws.next_layer(), results.begin(), results.end());// 执行 WebSocket 握手ws.handshake(host, "/");// 发送消息ws.write(net::buffer(std::string("Hello from client")));// 读取响应beast::flat_buffer buffer;ws.read(buffer);std::cout << "Received: " << beast::make_printable(buffer.data()) << std::endl;// 关闭 WebSocket 连接ws.close(websocket::close_code::normal);} catch (const std::exception& e) {std::cerr << "Error: " << e.what() << std::endl;return EXIT_FAILURE;}return EXIT_SUCCESS;
}

解析：

解析命令行参数：host 和 port。
创建 io_context：管理 I/O 操作。
解析服务器地址：通过 tcp::resolver。
创建 WebSocket 流：通过 websocket::stream<tcp::socket>。
连接到服务器：通过 net::connect。
执行 WebSocket 握手：通过 ws.handshake。
发送消息：通过 ws.write。
读取响应：通过 ws.read。
关闭 WebSocket 连接：通过 ws.close。

运行方式：编译并运行客户端程序，例如：

在 Linux 上

假设将客户端代码保存为 websocket_client.cpp，使用以下命令进行编译和运行：

# 编译客户端代码
g++ -o websocket-client websocket_client.cpp -lboost_system -lboost_thread -lssl -lcrypto -lboost_beast# 运行客户端
./websocket-client localhost 8080

在 Windows 上

假设将客户端代码保存为 websocket_client.cpp，使用以下命令进行编译和运行（需要安装 MinGW）：

# 编译客户端代码
g++ -o websocket-client websocket_client.cpp -lboost_system -lws2_32 -lssl -lcrypto# 运行客户端
./websocket-client localhost 8080

运行结果：

Received: Echo: Hello from server

五、总结

本文深入解析了 WebSocket 的基础概念、工作原理及其在 C++ 中的实现，并结合 Boost.Asio 和 Boost.Beast 库实现了 WebSocket 服务器和客户端。通过详细的示例代码和解析，展示了如何在 C++ 中构建高效、实时的双向通信应用。希望本文能帮助读者更好地理解和掌握 WebSocket 技术及其在 C++ 中的应用，提高网络编程技能。

本文提供的示例代码可以在 Linux 和 Windows 上运行，主要依赖于跨平台的 Boost.Asio 和 Boost.Beast 库。无论您使用哪种操作系统，都需要确保系统上安装了相应的编译器和 Boost 库。通过本文的详细解释和示例，您应该能够在 C++ 环境中实现高效的 WebSocket 客户端和服务器。